KR100631041B1

KR100631041B1 - 절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동합금

Info

Publication number: KR100631041B1
Application number: KR1020050018147A
Authority: KR
Inventors: 박철민; 이범재; 한재철
Original assignee: 주식회사 풍산
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-10-04
Also published as: KR20060096877A

Abstract

본 발명은 쾌삭황동에 납(Pb)을 함유하지 않으면서 철(Fe) 및 실리콘(Si)의 적정량 배합으로 Fe-Si 화합물을 형성시키고, 필름 형태로 형성되는 비스무트(Bi)를 구상(球狀)형태로 만들어 결정입계 또는 입내로 미세하게 분산시켜 피삭성을 획기적으로 개선한 절삭성 및 가공성이 우수한 동합금에 관한 것이다.

이에 따른 구성은 100중량%로서, 동(Cu)50∼62중량%, 비스무트(Bi)1.0∼4.0중량%, 철(Fe)0.1∼1.2중량%, 실리콘(Si)0.05∼1.2중량%, 주석(Sn)0.05∼1.5중량%이고, 나머지가 아연(Zn)으로 조성됨을 특징으로 하는 절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동합금으로 이루어진다.

쾌삭황동, 절삭성, 가공성

Description

절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동합금{free cutting brass alloy having an improved of machinability and workability}

도 1a는 종래기술의 무연쾌삭황동의 주조조직을 나타낸 전자현미경 사진

도 1b는 본 발명의 분산화된 무연쾌삭황동의 주조조직을 나타낸 전자현미경 사진

도 2a는 본 발명의 Fe-Si화합물의 석출 및 분포된 주조조직을 나타낸 전자현미경 사진

도 2b는 본 발명의 에너지분광분석기를 이용한 Fe-Si화합물의 정성 및 정량분석결과

도 3은 Fe-Si상태도

도 4a는 비교예 2(황동합금)의 탈아연 깊이 상태를 나타낸 현미경 사진

도 4b는 본 발명의 실시예 5에 대한 탈아연 깊이를 나타낸 현미경 사진

본 발명은 절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쾌삭황동에 납(Pb)을 함유하지 않으면서 철(Fe) 및 실리콘(Si)의 적정량 배합으로 Fe-Si 화합물을 형성시키고, 주로 필름 형태로 형성되는 비스무트(Bi)를 구상(球狀)형태로 만들어 결정입계 또는 입내로 미세하게 분산시켜 피삭성을 획기적으로 개선한 절삭성 및 가공성이 우수한 동합금에 관한 것이다.

납(Pb)첨가 쾌삭황동은 광범위한 가공방법에 적용 가능하므로 자동차, 농기계, 공작기계 등의 기계 부품에 사용되는 기계구조용강이나 가전제품, 시계, 카메라 등의 정밀부품 등의 절삭 또는 가공에 널리 사용된다.

절삭이란 칩을 발생하면서 가공하는 모든 가공법에 해당되는 것으로 피삭물 소재에 국부적 전단 변형을 주어 칩을 발생시키는 절삭가공은 날을 가진 공구에 의한 방법과 연삭 입자를 이용하는 방법이 있다.

피삭물의 절삭성(machinability)은 가공품의 표면정도 및 표면완전성, 공구수명, 절삭력의 크기 및 소요동력, 칩의 크기 및 형태에 의존한다. 절삭가공의 종류는 선반가공, 밀링가공, 드릴가공, 연삭가공, 보링가공 등이 있는데 선반가공은 칩형태 및 크기, 공구수명, 선반가공속도 등이 고려되어야 하며 면삭가공은 가공조도 및 치수 정밀도가 좋아야 한다.

또한 전기 및 전자부품으로 사용되는 황동합금은 일반적으로 절삭가공 후 압착공정을 수반하므로 이에따른 압착성이 요구된다.

쾌삭황동에 첨가되는 납(Pb)은 동(Cu)금속내에 고용성이 없으므로 결정구조에 영향을 주지 않으며, 가공중 공구와 피삭물과의 접촉계면에서 윤활역할, 절삭칩을 분쇄하는 역할을 하므로 기존의 황동에 1.0∼4.0중량% 첨가되어 절삭성이 요구되는 소재에 사용되어 왔다.

그러나 이러한 납(Pb)을 함유한 소재는 음용수관 부품, 자동차, 각종 전자부품에서 유해한 환경문제로 규제 대상으로 진행중에 있으며, 그 적용범위가 최소화되고 있는 실정이다. 따라서 기존 납(Pb)를 함유한 합금과 동등한 절삭성을 지니는 부품 특성을 대신할 수 있는 합금 원소의 개발되고 있다.

이러한 합금원소로는 납(Pb)과 비슷한 금속학적 특성을 지닌 비스무트(Bi), 셀레늄(Se), 텔륨(Te) 등이 있다. 이들 합금의 특징은 납(Pb)과 마찬가지로 동 (Cu)금속에 고용되지 않고 결정조직에 분산되어 절삭성 향상에 영향을 준다.

상기 첨가원소에서 비스무트(Bi)는 융점이 낮아 응고시 금속기지보다 나중에 응고하게 됨에 따라 결정입내 보다는 결정입계를 둘러싸는 필름형태(띠형태)의 막을 형성하는 경항이 있어 응고시 또는 열간가공 및 냉간가공시 융점이 낮은 비스무트(Bi)에서 취성 균열을 유발시키는 경향이 크며, 또한 절삭시 칩의 형태가 균일하게 분절되어 나타나지 않고 비스무트(Bi)가 없는 입계에서 발생된 칩은 절삭공구에 말려 절삭성능 저해 및 공구의 파단 현상을 초래하기도 한다.

셀륨(Se)은 가격이 비싸고 가공시 취성 유발 및 650℃ 이상에서 기화하여 유독한 가스(gas)형성 가능성을 잠재하고 있어 단독으로 적용되지 않는다.

텔륨(Te)은 셀륨과 마찬가지로 가격이 비싸며, 동(Cu)기지내에서 고용도가 극히 낮으므로 미세분산된 Cu₂Te 상을 형성하여 절삭성 향상에 도움을 주지만, 산소를 함유한 CuTe합금은 수소취성을 나타내기도 한다.

최근 비스무트(Bi)가 첨가된 무연황동에서 주조조직의 미세화 및 비스무트의 분산을 위해 보론(B), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등과 같은 원소를 첨가하고 있다.

상기 원소 첨가에 따라 미세화 효과는 상당하지만 강도가 높은 탄화물 등의 금속간화합물을 생성시키는 경향이 많으며 실제 절삭가공에서 공구수명 및 정밀공구이 칩을 회손시키는 영향을 미치는 등 많은 단점을 가지고 있어 실제 공업적으로 적용하기에는 많은 어려움이 있다.

상기 원소에서 보론(B)의 경우는 단독으로 첨가시에도 결정립 미세화 효과를 나타내는 원소이지만, 티타늄(Ti)과 지르코늄(Zr)은 다른 첨가원소 들과 동시에 첨가시 입자 미세화 효과를 가진것으로 알려져 있다. 그러나 상기 원소들은 금속조직상의 주조조직 결정립 미세화에 효과가 있으나, 많은 량 첨가하면 주조시 많은 산화물 발생으로 건전한 주괴 확보에 어려움이 있고, 지나친 강도 상승으로 절삭성 측면에서는 역효과를 유발할 뿐만 아니라 절삭시 바이트팁의 손상 및 면삭 가공후 표면정도 저하, 표면 스크래치 등의 유발 가능성이 많다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 납을 함유하지 않으면서 비스무트의 입계 편석 문제점을 해결하기 위해 철과 실리콘의 적정량 첨가로 Fe-Si화합물을 형성시키고, 응고시 결정입내 및 결정입계에 철-실리콘 화합물을 비스무트와 동시에 석출시키므로서 결정입계에 필름형태의 비스무트 연속성을 방해하여 구상(球狀)형태로 구성시킬 뿐만 아니라, 비스무트 입자를 기지의 금속 결정입계 및 결정입내에 미세하게 분산시켜 가공후의 표면정도 및 표면 완전성에 전혀 영향을 미치지 않는 절삭성이 향상된 쾌삭황동을 얻는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 100중량%로서, 동(Cu)50∼62중량%, 비스무트(Bi)1.0∼4.0중량%, 철(Fe)0.1∼1.2중량%, 실리콘(Si)0.05∼1.2중량%, 주석(Sn)0.05∼1.5중량%이고, 나머지가 아연(Zn)으로 조성됨을 특징으로 하는 절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동합금으로 구성된다.

본 발명은 철(Fe) 및 실리콘(Si)의 첨가에 따라 Fe-Si계 형태의 화합물을 약 0.5∼10㎛ 크기로 형성시켜 용융금속의 응고시 결정입계에서 형성되는 비스무트의 필름형태 피막 연속성을 방해하여 비스무트의 크기를 평균 10㎛이하로 유지되고 결정입계 또는 결정입내로 미세하게 구상형태로 분산시켜 황동합금의 절삭성을 강화하는데 특징이 있다.

비스무트(Bi)를 함유한 황동합금의 경우 취성을 가지므로 이러한 압착가공에 적합한 조직은 금속조직상 결정입계의 비스무트 편석을 최소화하고 분산시켜 비스무트에 의한 취성을 최소화하는 것이다.

본 발명에서 비스무트(Bi)에 의한 피삭성은 기존 납을 함유한 황동과 같이 기지 금속인 황동합금에 고용되지 않으며, α+β상의 결정입계 및 결정입내에 균일하며 미세하게 분산시켜 분포되도록 유도시키는 효과이다. 이렇게 분산된 비스무트(Bi)는 납(Pb)과 마찬가지로 절삭가공시 chip Breker 역할을 하며, 황동합금의 절삭성을 개선시키는 효과를 갖는다.

본 발명에서 철(Fe)및 실리콘(Si)첨가는 상기한 보론(B), 티타늄(Ti),지르코늄(Zr)과 같은 결정입계 응고시 결정입계 미세화 효과 만큼은 크지 않지만, 응고 중 비스무트의 결정입계 편석을 억제시키는 효과가 크며 후가공인 열처리에서 결정립 성장 및 비스무트 재편석을 지연시키는 효과를 가짐과 동시에 비교적 낮은 온도에서 생성되므로 크기가 미세하고 절삭가공시 공구날에 영향을 미치지 않는 공업적 효과를 가진다.

따라서 철(Fe)이 0.1중량이하 및 실리콘(Si)이 0.05중량% 이하로 조성될 경우 화합물의 생성이 잘 발생되지 않으며, 또한 이들이 각각 1.2중량% 이상의 첨가는 화합물의 크기를 지름 10㎛ 이상으로 상대적으로 증가하며 비스무트의 분산효과 및 절삭성 개선 효과가 상대적으로 저하될 뿐만 이니라 주조성에도 악영향을 미치는 등 절삭성 증가에 크게 기여하지 못한다.

본 발명은 절삭성을 극대화 시키기 위해 아연(Zn)의 함유량을 조정하여 β상이 적정히 구성되도록 하였다. 비스무트를 함유한 Cu-Zn 2원계 황동합금에 아연의 량이 45중량% 까지 α+β상이 고루 분포된다. 이러한 β상은 비스무스와 동시에 존재하면 열간가공성이 우수해지며 절삭성이 향상된다.

그러나 β상이 많은 황동합금이 수도용 배관 또는 저장부품으로 사용되면 내식성이 감소된다고 알려져 있다. 따라서 본 발명에서는 내식성 향상을 위해 상기 아연이 함유된 조성에 주석(Sn) 0.1∼1.5중량% 첨가로 탈아연 부식성을 향상시킬 수 있으며, 이때 주석의 함량이 1.5중량% 이하로 제한한 이유는 그 이상의 첨가는 철, 실리콘, 비스무트의 절삭 칩의 분쇄능을 감소시키기 때문이다.

도 1a는 비스무트가 1.7중량%, 구리 59.47중량%이고 나머지가 아연으로 조성된 종래의 무연쾌삭황동의 비스무트 분포 형상을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 1b는 도 1a에 철0.22중량%, 실리콘 0.18중량% 첨가후 비스무트를 구상화시켜 미세하게 분포시켜 나타낸 본 발명의 현미경 사진이다.
상기와 같은 본 발명의 조성물을 제조함에 있어서는 전기유도로에 원재료를 장입하여 1200∼1300℃의 온도에서 용해한 후 1000∼1100℃의 온도에서 냉각수량 80∼100m³/hr 및 80∼120mm/min 속도로 주조하여 billet type의 주괴를 얻고, 이 주괴를 billet Heater를 이용하여 600∼700℃로 가열한 후 6∼11mm φ 크기로 열간 압출을 실시한다. 이렇게 제조된 열간 압출품을 최종 압출크기에 따라 냉간 중간인발, annealing(소둔), 산세, 완제인발을 실시한다.
필요한 규격에 따라 중간인발, 소둔, 산세공정을 적절히 반복하여 가공을 위한 규격의 소재인 1∼8mmφ 크기로 제조할 수 있다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

실시예 1∼4

[표 1]과 같은 조성으로 주괴를 만들었다.

본 발명		Cu	Bi	Fe	Si	나머지
실시예 (중량%)	1	58.13	1.89	1.12	0.34	Zn
	2	58.3	1.96	0.52	0.49	Zn
	3	58.26	1.95	0.31	0.59	Zn
	4	58.41	1.92	0.1	0.08	Zn

상기 실시예 1∼3에서 철과 실리콘의 주사전자현미경(scanning electron microscopy)의 후방산란전자(backscattered electron)를 이용하여 생성이미지를 확인하였으며, 또한 EDS(energy dispersive spectrometer)를 이용하여 원자량비를 분석한 결과 Fe-Si계의 화합물은 구형의 3∼8㎛정도의 크기를 가지며 주로 Fe₂Si, FeSi 형태로 존재하는 것을 알수 있었으며, 실시예4의 경우에도 Fe-Si화합물이 구형의 0.5∼1㎛ 정도의 크기를 가지고 나타냈다.

도 2a는 주사전자현미경의 후방산란전자 사진(×150)으로 흰색은 비스무스이며, 검은색의 작은 알갱이가 Fe-Si화합물로 확인되었다. 도 2b는 도 2a의 화합물을 에너지분광분석기(EDS)를 이용하여 정성 및 정량분석을 실시한 결과이다.

상기 도 2a 나타난 바와 같이 이러한 작은 알갱이의 Fe-Si화합물이 비스무트의 결정립에서 편석을 방해하여 구상화형태로 유도하고 결정입계 및 결정입내에 미세하게 분산시키는 역할을 한다.

도 3은 Fe-Si계 상태도로서, 화합물의 열역학적 생성 특성은" cohesion in metal" F.R. de boer et al. transition metal alloys, vol. 1(1988, P727)에서 발생 가능성을 참조하였다.

부가적으로 Fe-Si계 화합물은 열간압출을 위한 고온 열처리시 또는 소둔

(annealing)을 위한 열처리시 결정입계 성장을 저하시키며 비스무트의 재편석을 억제시키면서 인발 등과 같은 가공시 분산강화 효과를 가지므로 선반절삭 가공의 경우 작은 크기의 부체꼴 모양의 분절 형태의 칩을 구성시킬 수 있다.

철 0.1중량%, 실리콘 0.05중량% 이하 조성으로 첨가할 경우 Fe-Si화합물의 생성이 잘 발생되지 않았으며, 화합물의 비스무트 연속성 방해 및 분산에 크게 기여하지 못하였다. 또한 상기 각 원소를 1.2중량% 이상의 첨가는 화합물의 크기를 지름 10㎛ 이상으로 증가시키는 경향이 보이며 상대적으로 절삭성 증가에 기여하지 못한다.

실시예 5∼9

		Cu	Bi	Pb	Fe	Si	Sn	Zn
비교예	1	64.7	-	0.001	-	-	0.002	나머지
	2	58.4	-	3.58	0.01	-	0.002	나머지
	3	59.2	-	2.43	0.01	-	0.002	나머지
실시예	5	51	0.8	0.001	0.1	0.1	1.2	나머지
	6	54	1.2	0.001	0.2	0.2	0.8	나머지
	7	56	1.5	0.001	0.4	0.4	0.6	나머지
	8	58	2.5	0.001	0.8	0.8	0.4	나머지
	9	62	3.5	0.001	1.0	1.0	0.1	나머지

절삭성을 확인하기 위해 상기 (표 2)의 화학조성으로 대기 중에서 용해온도 1050∼1300℃, 주조속도 60∼200mm/min, 냉각수온도 20∼40℃, 냉각수량 2000∼300 0ℓ/min, 냉각수압 5∼10kg/mm², 주조속도 80∼200mm/min의 연속주조 방식으로 지름 230mm×4000L 규격의 봉(bar)형태로 주조하였다. 상기 (표 2)에서 납(Pb) 0.001중량% 및 주석(Sn) 0.002중량%는 임의로 첨가한 것이 아니라 불가피한 불순물로서 존재하는 량을 나타낸 것이다.

비교예 1은 일반 6:4황동이며,비교예 2 및 3은 기존 공업적으로 적용되고 있는 납을 함유한 C3604, C3771 황동합금이다.

실시예 5∼9까지는 절삭성 평가를 위한 아연량을 조정하였으며, 상대적으로 절삭성을 향상하기 위해 비스무트의 첨가량도 낮은 함량에서 높은 함량쪽으로 유도하였으며, 비스무트의 분산을 위한 철, 실리콘의 함량을 증가시켰다. 주석의 경우 아연에 의한 부식성 저항감소를 대비하여 실시예5∼9까지 첨가량을 감소시켰다.

절삭시험을 위한 시료는 지름 230mm×4000L 규격의 봉(bar) 주조품을 600∼780℃의 온도 및 1500∼220psi 압력으로 열간압출을 실시하여 지름 10∼20mm의 규격으로 제조하였으며, 가공성 확인을 위해 이후 인발가공을 거쳐 지름 3.5mm의 규격으로 제조하였다.

시험조건은 고속도강(high speed steel)드릴로 절삭속도 1100rpm, 절삭깊이 10mm 조건으로 절삭기 절삭저항력을 토르크(kgf/cm)값으로 나타내었다.

절삭성의 평가는 비교예2의 납을 함유한 C3604 토르크 값 2.68khf/cm의 백분율로 시험 시료를 비교한 값이다. 여기서 저항값이 낮을수록 절삭성은 우수하다고 평가한다.

	비교예1	비교예2	비교예3	실시예5	실시예7	실시예9
토르크(kgf/cm)	7.98	2.68	2.96	2.79	2.7	2.81
절삭성(%)	34	100	91	96	99	95

상기 (표 3)에서 알 수 있는 바와 같이 납 및 비스무트를 함유하지 않은 일반 황동의 경우 7.98kgf/cm로서 납을 함유한 비교예 2의 절삭성에 비해 낮았으며, 본 발명에서 비스무트, 철 및 실리콘을 함유한 실시예 5. 7. 9의 경우 아연의 함량이 상대적으로 높은 실시예 7의 경우가 토르크 2.7kgf/cm로 절삭성이 99%로 C3604와 거의 같은 절삭성을 나타내었으며,, 실시예 5의 경우 아연함량이 45중량%로 높은 경우 강도 증가로 인한 절삭성이 저하되었다. 실시예 9의 경우 비스무트가 3.5중량%로 높았지만 상대적으로 아연량이 약 33중량%로 2.81kgf/cm의 토르크를 나타내었다.

이상과 같이 실시예 5∼9의 비스무트와 Fe-Si계 화합물이 형성으로 비스무트가 분산 및 미세화된 시료는 기존 납이 함유된 C3604 황동합금과 거의 같은 수준의 쾌삭성을 지닌다.

하기 (표 4)는 납 침출시험을 실시하기 위해 (표 2)의 화학성분으로 제조된 주조, 열간압출, 열간가공을 거친 완제품을 KS D5578(동 및 동합금판의 이음쇠)규격에 의해 실험한 결과이다.

	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5	비교예 9
납함유량(%)	3.58	2.43	0.005	0.004	0.004
납침출량(mg/kg)	3.4	3.1	98.5	97.5	95.4
보건복지부기준(1ppm)	불합격	불합격	합격	합격	합격

내탈아연 부식 시험은 (표 2)의 비교예 및 실시예의 성분조성에 의해 주조,열간압출 및 인발에 의해 가공된 시료를 ISO-6509 시험방법에 의해 물 1000ml 염화 제2동 제2수화염(CuCl₂□2H₂O)의 수용액(12.7g/ℓ)에 일정온도(75±5℃) 및 일정사건(24hr)침적하여 부식후 탈아연 최대 깊이를 현미경으로(×65)단면의 손상정도

(depth)를 관찰한 시험값을 (표 5)에 나타내었다.

도 4a는 비교예 2인 KS C3771 황동합금의 탈아연 깊이이며, 도 4b는 아연함량이 가장 높은 (표 2)의 실시예 5의 시험결과 사진이다.

본 발명의 무연쾌삭황동 합금은 기존 KS C3604, KS C3771에 비해 우수한 내식성을 가지고 있음을 확인하였다.

	비교예 1	비교예2	비교예3	실시예5	실시예7	실시예8
최대값(㎛)	＞22	22	13	11	4	2

이상에서와 같이 납 대신 비스무트를 함유한 구리, 아연 2원계 황동합금에서 철, 실리콘의 첨가로 Fe-Si 화합물을 형성시켜 주로 필름 형태로 형성되는 비스무트(Bi)를 구상형태로 만들어 결정입계 또는 입내로 미세하게 분산되게하여 절삭성을 획기적으로 향상시킨 무연황동합금은 공업적으로 주조 및 가공이 유리할 뿐만 아니라 인체에 무해하며, 기존에 사용되어 오던 납을 함유한 쾌삭황동에 충분히 대 처할 수 있는 특성을 가지고 있다.

Claims

100중량%로서, 동(Cu)50∼62중량%, 비스무트(Bi)1.0∼4.0중량%, 철(Fe)0.1∼1.2중량%, 실리콘(Si)0.05∼1.2중량%, 주석(Sn)0.05∼1.5중량%이고, 나머지가 아연(Zn)으로 조성됨을 특징으로 하는 절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동합금.

삭제

제 1항에 있어서,

상기 철(Fe), 실리콘(Si)의 조성으로 Fe₂Si, FeSi, FeSi₂, Fe₅Si₃ 형태의 Fe-Si계 화합물이 0.5∼10㎛ 크기 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동합금.

삭제

제 3항에 있어서,

상기 조성을 갖는 비스무트가 평균10㎛ 이하 크기로 결정입계 및 결정입내에 구상(球狀)형태로 존재하여 이루어짐을 특징으로 하는 절삭성 및 가공성이 우수한 쾌삭황동합금.